动力锂离子电池热管理技术研究进展

摘要：分析锂离子电池热失控发生过程，总结空气冷却、液体冷却、热管冷却和相变冷却等锂离子电池热管理技术的研究现状，进而提出动力锂离子电池热管理技术未来的发展方向。空气冷却和液体冷却技术存在控温效果较差、消耗额外能量等缺点，热管冷却具有成本较高、结构复杂等不足，相变冷却能有效降低锂电池的峰值温度和提高电池组的温度均匀性，应用前景良好。关键词：动力锂离子电池 热失控 热管理技术 相变材料动力锂离子电池（以下简称锂电池）具有高能量密度、长循环寿命、低自放电率和无记忆效应等优点，广泛应用于电动汽车、电动工具和航空航天等领域。动力锂电池在汽车行业已得到大规模应用，2020 年电动汽车产量达 406.2 万辆。另外，在民用航空领域，锂电池因有助于减轻飞机空重、噪音和环境污染，已成为新型民用飞机电动力储能的优势选项。

动力锂电池的能量密度高达 200~400 Wh/kg，大多应用于交通运输领域，属于人员活动区域。温度是安全运行的关键因素，一旦发生热失控灾害，极易造成人员伤亡事故，因此，需要高度重视动力锂电池热失控风险防控问题，采用有效的热管理系统是防止锂电池过热的关键。本文作者从动力锂电池的热失控过程出发，介绍电池热管理的空气冷却、液体冷却、热管冷却、相变冷却和复合冷却等技术的优缺点，并详细综述近年来这几种热管理技术的国内外研究进展。

1 动力锂电池热管理的研究概况

动力锂电池的热失控问题通常是由电因素、热因素和机械因素等 3种因素单独或耦合诱发的。图1 为锂电池在热失控过程中的连锁反应机理。

图1 锂电池在热失控过程中的连锁反应机理

在滥用条件下，锂电池温度异常升高时，材料发生分解等一系列连锁反应，锂电池会因内部短路即刻释放电能，进而热失控，引起电解质燃烧。P.T.Coman 等研究发现，锂电池单体热失控释放的总能量中，有42%来自电能转化，其他大多源于内部材料的分解等反应释放的热量。因此，锂电池的容量越大，热失控过程中释放的能量就越多，更易造成较大的危害。

为防止锂电池因电因素、热因素和机械因素等滥用条件触发热失控，保证处于适宜的温度范围，进行热管理是非常重要的。国内外学者针对锂电池热管理技术展开大量研究工作，主要包括空气冷却、液体冷却、热管冷却、相变冷却和复合冷却等 5 种技术。有关空气冷却和液体冷却的研究报道较多，已实现规模化应用；而热管冷却和相变冷却的新型电池热管理技术还处于研究阶段；近年来出现的复合冷却技术可以综合两种及以上热管理技术的优点，显示出更优良的冷却效果，也得到更多的关注。锂电池热管理的研究方法大都是分析不同充放电倍率下锂电池的温升情况，包括最高温度和温均性，以下详细阐述动力锂电池热管理的研究进展。

2 动力锂电池热管理的研究进展

动力电池热管理系统包括主动式和被动式。主动式热管理包括空气冷却、液体冷却、制冷剂式冷却；被动式热管理包括自然冷却、热管冷却和相变材料。目前，冷却技术主要包含空气冷却、液体冷却、热管冷却和相变冷却等 4 种。这 4 种电池热管理技术各有利弊，以下分别进行详细阐述。

2.1 空气冷却

空气冷却也称为风冷系统，利用空气作为热量交换载体，起到控制分配动力电池系统内部温度的作用。根据散热通风方式，空气冷却又分为串行通风和并行通风，如图 2 所示。

图 2 空气冷却示意图

在进出风口位置的研究方面，A.Sharma 等研究了具有不同进气口和交错方案，以及双通道分区方法，发现双向进气口可降低电池间温差。在电池间距的研究方面，K.Chen 等采用优化电池单元间距使通道气流速率均匀化，改善并联风冷电池热管理系统的冷却效果；还开发了不均匀单元间距分布的对称风冷系统，比不对称系统的电池最大温差低 43%，能耗低 33%。在空气流速的研究方面，A.A.Hakeem 等研究不同空气流速热管理系统的冷却性能，将空气流速从 1.4 m/s 升至3.4 m/s，在 0.75 C 放电倍率下，电池最高温度下降了 54.28%。R.Mahamud 等以提出一种往复式空气流动方法，与单向流动相比，电池组的最大温度降低了 1.5 ℃，电池间温差降低了4.0 ℃。基于空气冷却电池热管理技术的各研究参数见表 1。

表 1 空气冷却的电池热管理技术

通过优化进出风口位置、风的流动方式和电池间距，以及提高风速等，可提高空气冷却的效率，能满足低功率小体量电池组的热管理需要。然而，还不能根本解决空气冷却技术存在的导热系数低、消耗额外功、对电池组温均性控制效果差等缺点。由于动力锂电池向高能量密度发展的趋势，空气冷却逐渐难以满足热管理技术要求。

2.2 液体冷却

液体冷却又称液冷系统，利用冷却液作为热量交换载体,起到控制分配动力电池系统内部温度的作用。该系统通常利用水泵和管道完成冷却液在电池系统内的流动，分为直接接触式和间接接触式。直接接触冷却是将电池组直接浸在冷却液体中；非直接接触冷却是在电池模块间排布管路或在电池组内布置夹套，液体在内部流动而吸收并带走热量。

图 3 液体冷却板示意图

在冷却板的研究方面，Z.Rao 等设计了楔形通道冷板，并为电池组设计分支结构。在液体流量研究方面，T.Deng 等研究了冷却液质量流量的影响，当冷却液以 1 g/s 质量流量流动时，冷却效果最好。在制冷剂和管路设计等研究方面，S.H.Hong 等将两相制冷剂用于液冷热管理系统，与传统液冷系统比较，可将电池组最高温度控制在 45 ℃以下，在老化过程中，将电池容量提升 16.1%。H.Zhou 等提出基于半螺旋导管的液冷系统，将电池组最高温度控制在 30.9 ℃，温差为 4.3 ℃。基于液体冷却电池热管理技术的各研究参数见表 2。

表 2 液体冷却的电池热管理技术

液体冷却具有冷却效率高、导热系数大、可提高电池组的温度一致性等优点。冷却管在控制电池温均性上，较冷却板更好，这是由于冷却板一般设置在电池底部，而冷却管设置在电池模块间，这使得电池与冷却管接触的区域不局限于底部，进而使得电池各位置都能得到有效冷却，减小温差。通过优化液体冷却板结构、提高液体流量、使用高导热系数的制冷剂和优化管路设计等手段，提升液冷系统的导热系数和冷却效率等，进而提高冷却效果，但依然不能解决存在的结构较复杂等缺点。由于液体泄漏可能导致电池短路，因此对液体冷却的密封性要求很高，这一点也是液体冷却存在的安全问题。同时，液体冷却还存在自身质量较大的问题，采用液体冷却会增加整个锂电池系统的自重，不利于动力锂电池的轻量化趋势。

2.3 热管冷却

热管冷却是利用相变实现热传导的热管理系统。热管由蒸发段、绝热段和冷凝段组成。密封空管内的介质在蒸发阶段会吸收电池产生的热量，再通过冷凝段把热量传递给外部环境，达到使电池组迅速降温的效果。热管的种类有：重力热管、脉动热管、烧结热管等。

图 4 热管工作示意图

在热管结构的研究方面，B.Ariantara 等提出一种基于环路热管与藕状多孔铜芯的电池热管理系统，将凝汽器冷却液温度保持在 28℃，当产热量为 20W 时，电池表面温度在 50℃以下。在新型热管的研究方面，X.Ye 等使用微型热管阵列设计热管理系统，在 2C 的充放电倍率下，电池组温度降到40℃以下，电池表面间温差低于 5℃。F.M.Nasir等研究了冷凝器长度对热管冷却效果的影响，当冷凝管长度在 100~150mm 时，水流量对电池表面温度影响不大。鄂加强等以无机超导热管散热方法为基础，模拟表明：以 10A 电流放电 10min时，锂电池 温度低于 48℃，且隔热效果良好。基于热管冷却电池热管理技术的各研究参数见表 3。

表 3 热管冷却的电池热管理技术

与空气冷却和液体冷却方式相比，热管冷却效率较高，但在温度均匀性上表现效果一般，这是由于目前热管研究还在初期，使用的热管结构复杂，不能有效地使电池每个部位都能得到散热。复杂的热管结构不能与电池良好匹配，还会增加整个电池系统的体积。此外，热管冷却还存在制造成本高、安装较复杂、长期使用后传热性能下降的缺点。因此，目前热管冷却还不适合大规模应用于动力锂电池热管理系统，应向小型化、简单化发展，提高热管冷却系统的普适性是今后的发展目标。

2.4 相变材料冷却

相变材料是一种能够在一定温度范围内改变自身物理状态的材料。相变材料分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料。相变冷却是利用相变材料的相变潜热吸收热量的被动式冷却方式，石蜡是一种研究较多的相变材料。

图 5 相变材料冷却示意图

S.Al-hallaj 等首次将相变材料应用于锂电池热管理系统，相变冷却的电池温度比自然冷却低 8℃。在石蜡复合膨胀石墨的研究方面，A.Greco 等研究石蜡/膨胀石墨组成的电池热管理系统，电池组最高温度远低于强制对流达到的温度。Z.Ling 等研究发现，石蜡 RT44HC/膨胀石墨复合材料可明显降低电池间温差，提高温均性。在石蜡复合泡沫铜的研究方面，J.He 等制备的膨胀石墨/泡沫铜二元骨架材料可将最高温度控制在 48.0℃，温差为 3.9℃。此外，还有将其他材料与相变材料复合，V.Choudhari 等将相变材料放入翅片结构，电池温度降低了 9.28%。文一平将相变材料与微小通道耦合。基于相变材料冷却电池热管理技术的各研究参数见表 4。

表 4 相变材料冷却的电池热管理技术

相变冷却具有散热速度快、控温均匀性高、低温保温等优点，还可根据相变材料种类、将相变材料与其他材料复合等手段提高理化性能。采用相变材料冷却可以减少电池系统占用的空间，且不会额外消耗电池的能量。由于石蜡的导热系数低，通常将石蜡复合膨胀石墨和泡沫铜，从而提高导热系数。与其他 3 种热管理方式相比，相变材料冷却的综合性能最优，但也存在导热系数低、易泄漏等缺点。在保证不泄漏的情况下，提升相变材料的导热性，相变微胶囊是一个不错的解决方法，需进一步加强这方面的研究。由于单纯的相变冷却并不能及时地将相变材料吸收的热量散失到外界环境中，会导致相变冷却作用丧失，电池可能持续升温甚至出现热失控。如果将相变冷却与其他热管理方式相结合，及时将相变材料吸收的热量散失到外界环境中，则可持续发挥相变材料的冷却作用。

2.5 复合冷却

除了上述的单一锂电池热管理技术，还可以将多种热管理技术复合，取长补短，可有效克服单一热管理技术的缺点，发挥各自的优点，达到更好的热管理效果。目前，大多将主动式和被动式热管理技术复合使用。

在相变材料复合空气冷却的研究方面，P.Qin 等设计了相变材料和强制空气对流复合的热管理系统，在 3C 充放电倍率下，与单一被动式热管理相比，电池组最大温度下降 16℃，最大温差下降了 1.2℃。在相变材料复合热管冷却的研究方面，W.Wu 等设计的热管复合相变材料的热管理系统，在 5C 的放电倍率下，电池组最高温度控制在 50℃以下。在相变材料复合液体冷却的研究方面，Y.Zheng 等设计了一种以液冷为主，并结合相变材料的热管理系统，复合相变材料主要起到吸收部分热量的辅助作用，研究发现，在 8C 放电倍率下，可将电池最高温度控制在 38.69℃，温差为 2.23℃。在其他复合冷却的研究方面，Q.Huang 等将热管与液体冷却相结合，使电池在 3C 放电倍率下的最高温度降至 50 ℃。W.Yang 等设计了空气冷却与微通道液冷耦合的复合热管理系统，电池组最高温度控制在 31.73℃，温差低于 4.13℃。基于复合冷却电池热管理技术的各研究参数见表 5。

表 5 复合冷却的电池热管理技术

因此，将相变材料与空气冷却、液体冷却或热管冷却等热管理方式相结合，可以发挥相变材料的高相变潜热，同时弥补相变材料导热系数低的问题，但复合的方式使得热管理系统的质量增加、结构变复杂。因此，需要根据电池组的规格和运行环境，并结合经济效益来制定相应的热管理策略。

3 总结与展望

高能量密度和长循环寿命是动力锂电池的发展趋势，合适的工作温度是确保锂电池性能和寿命的关键因素，因此，有效的电池热管理具有重要意义。目前，空气冷却和液体冷却是动力锂电池主要的热管理方式，而热管冷却和相变冷却是新型热管理方式。随着锂电池容量和充放电速率的增加，单一的热管理技术已难以满足使用要求，多种热管理技术耦合可以相互补充，是未来热管理技术发展的趋势。同时，应加强复合热管理技术的研究，设计出综合性能优异的热管理系统。

由于相变材料应用于电池热管理的研究起步较晚，单一的相变材料在导热、控温性能、防泄漏等方面尚需提高，将相变材料与其他材料复合、相变材料微胶囊化是有效的解决方法。在相变冷却热管理技术的研究上，除了考虑相变材料的储热、导热等性能外，还应考虑相变材料在锂电池热管理失效后的火安全性问题，加强对相变材料燃烧性能、阻燃技术等的关注和研究。目前，对热管理系统的研究主要针对汽车动力锂电池，随着动力锂电池在海、陆、空等不同应用空间的扩展，在不同环境下的锂电池热管理技术研究也成为未来趋势。